茍仲武

摘要：19世紀(jì)法國(guó)物理學(xué)家卡諾的研究工作為提高熱機(jī)效率指明了方向；其結(jié)論包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想！1824年他發(fā)表了《論火的動(dòng)力》一文，從那時(shí)候起，人們也就堅(jiān)定地把火、熱、動(dòng)力緊密的聯(lián)系在一起了。離開了火，低溫的熱量、“冷量”能產(chǎn)生動(dòng)力嗎？本文提出一個(gè)新的觀點(diǎn)，提醒人們對(duì)卡諾循環(huán)理論進(jìn)行一次再認(rèn)識(shí)，來(lái)一次基礎(chǔ)理論的應(yīng)用創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：卡諾循環(huán)、逆卡諾循環(huán)、熱機(jī)效率

1 卡諾循環(huán)是什么

卡諾循環(huán)是1824年N.L.S.卡諾在對(duì)熱機(jī)的最大可能效率問(wèn)題作理論研究時(shí)提出的?？ㄖZ進(jìn)一步證明了下述卡諾定理：①在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)的效率都相等，與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，其中T1、T2分別是高溫和低溫?zé)嵩吹慕^對(duì)溫度。②在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切不可逆熱機(jī)的效率不可能大于可逆卡諾熱機(jī)的效率?？赡婧筒豢赡鏌釞C(jī)分別經(jīng)歷可逆和不可逆的循環(huán)過(guò)程。

圖1所示的卡諾定理闡明了熱機(jī)效率的限制，指出了提高熱機(jī)效率的方向（提高T1、降低T2），可以簡(jiǎn)要理解為提高高溫溫度、降低低溫溫度、減少其它機(jī)械摩擦和熱損耗，使循環(huán)盡量接近理想卡諾循環(huán)。成為熱機(jī)研究的理論依據(jù)、熱機(jī)效率的限制、實(shí)際熱力學(xué)過(guò)程的不可逆性及其間聯(lián)系的研究，導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的建立。

不過(guò)卡諾定理也確實(shí)沒(méi)有限定低溫必須高于多少？高溫必須是什么范圍？經(jīng)過(guò)100多年的應(yīng)用，人們已經(jīng)太熟悉它了，今天反而人們幾乎很少再去仔細(xì)推敲它的每一個(gè)字句、每一個(gè)符號(hào)，更多的人則是習(xí)慣于從前人那里吸收“成熟”的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)應(yīng)用。

2 對(duì)卡諾循環(huán)的再認(rèn)識(shí)

老師在給學(xué)生傳授有關(guān)卡諾定理知識(shí)的時(shí)候，常常忘不了額外補(bǔ)充幾句，比如：“實(shí)際上、低溫?zé)嵩礈囟萒2降低很難實(shí)現(xiàn)，人們大都考慮如何提高高溫?zé)嵩礈囟萒1，來(lái)提高效率”、“顯然，高溫?zé)嵩礈囟萒1越高，過(guò)程效率越高”、“卡諾循環(huán)決定了熱機(jī)的最高理想最大效率，任何系統(tǒng)的效率都不可能超過(guò)這一結(jié)果”，等等。這幾句話表面上看好像沒(méi)有問(wèn)題，但是再仔細(xì)推敲一下，就很有問(wèn)題了。

1.低溫?zé)嵩礈囟入y以降低？

在19世紀(jì)，甚至到20世紀(jì)初，確實(shí)，低溫?zé)嵩赐ǔＪ侵車h(huán)境，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)的科學(xué)技術(shù)手段有限，通常只能將機(jī)械能、化學(xué)能、光能等各種能量轉(zhuǎn)換為熱能釋放，沒(méi)有什么廉價(jià)的方式可以吸收、移走熱量來(lái)獲得低溫工質(zhì)、能量洼地、“冷量”。降低環(huán)境的溫度難度大、成本高，甚至是不可能。但是現(xiàn)在已經(jīng)今非昔比，很多理論、技術(shù)、材料、工藝都發(fā)生了很大的變化，到了該重新審視這個(gè)觀點(diǎn)的時(shí)候了。

首先，制冷技術(shù)已經(jīng)很成熟，用熱泵技術(shù)移走熱量實(shí)現(xiàn)制冷、散熱的效率已經(jīng)很高，實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)的實(shí)際效率甚至可以接近理論值的60%以上。人們?cè)诰S持低溫?zé)嵩碩2溫度的時(shí)候，還可以將熱量轉(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩磥?lái)介入再次循環(huán)。因此，如果必要，降低低溫?zé)嵩礈囟萒2，既可行，也相對(duì)高效，甚至是某個(gè)利用逆卡諾循環(huán)獲取熱量的“副產(chǎn)品”。經(jīng)過(guò)這兩年的深入、系統(tǒng)的研究以后，完全有辦法達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的完美目的。

其次，能吸收熱量的廉價(jià)、常用工質(zhì)也從水和空氣，擴(kuò)展到其他很多在物理相變、化學(xué)分解過(guò)程吸收熱量降溫，且成本低廉、環(huán)境友好的物質(zhì)，如干冰、液態(tài)空氣、碳酸銨等等。人們除了考慮能量的來(lái)源之外，還可以考慮選擇、更換工質(zhì)以適應(yīng)不同的高、低溫?zé)嵩磳?shí)現(xiàn)熱-功轉(zhuǎn)換。

2.溫度越高效率越高？

如果低溫?zé)嵩礈囟萒2不能降低，那么確實(shí)高溫?zé)嵩碩1溫度越高，理論效率越高。但是也就意味著產(chǎn)生熱源能源物質(zhì)的品質(zhì)需要越高，環(huán)境的溫差加大以后材料、散熱問(wèn)題越來(lái)越突出、過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜、產(chǎn)生的連帶問(wèn)題增多，綜合成本也大幅度提高，整體經(jīng)濟(jì)性不一定就高！

以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為例，如果達(dá)到更高的溫度才能獲得更高的熱效率，那么火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度就要不斷提高，從現(xiàn)在3500℃進(jìn)一步提高，假設(shè)提高到6000℃，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、噴口喉道還用什么材料可以制作呢？看來(lái)是到頭了，此路不通了！對(duì)于內(nèi)燃機(jī)也是，如果一味提高氣缸內(nèi)的燃燒溫度、燃燒壓力，本來(lái)空氣中的氮?dú)馐且粋€(gè)準(zhǔn)惰性氣體，但是到了高溫高壓條件下，就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染的氮氧化物NOx，又需要對(duì)尾氣進(jìn)行處理，產(chǎn)生一系列麻煩，幾乎又是一條死胡同！燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪要經(jīng)受2500℃以上的高溫、高速氣流的吹蝕，需要特殊的耐高溫材料，采用特殊的散熱設(shè)計(jì)加工才能滿足要求，造成我們的大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一直難有突破，更別說(shuō)再進(jìn)一步！為什么就不能反過(guò)來(lái)走一步，繞開這個(gè)材料和工藝的門檻呢？

從卡諾定理的效率公式ηc=1-T2/T1可以看出這個(gè)效率有個(gè)很有意思的情況，想達(dá)到同樣的理論效率，如果T2越大，必須溫差線性增大，T1急劇升高。

假設(shè)T2=-200℃，T1=20℃，熱機(jī)效率理論值約是75%；T2=20℃，T1=1300℃，熱機(jī)效率理論值也是75%；分析實(shí)際效率，假設(shè)摩擦損失一樣，從超低溫到常溫的熱機(jī)工作過(guò)程，幾乎不會(huì)有熱損失，甚至還會(huì)邊膨脹做功、邊吸受環(huán)境熱，因?yàn)樗薪佑|的熱機(jī)零部件都有可能比工質(zhì)溫度高，整體熱損失少或許還有增加；而在常溫到1300℃高溫之間工作的熱機(jī)，其工質(zhì)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境，必然會(huì)產(chǎn)生熱量損失。由此可知在自然環(huán)境下，低溫段工作的熱機(jī)實(shí)際效率一定高于在高溫段工作的熱機(jī)；按能量熱量總量條件分析，這兩個(gè)過(guò)程，前者溫差只有220度，后者溫差達(dá)1280度，前者的能量可以免費(fèi)資源中獲得，后者的能量必須用燃料消耗獲取。前者少量熱能參與工作就有可能獲得高效率，后者必須滿足較高、較集中的熱能供應(yīng)條件才能追求高效率。如果考慮熱機(jī)工作過(guò)程的材料、工藝、能源成本，追求高溫的熱機(jī)顯然綜合指標(biāo)會(huì)大大低于低溫段的熱機(jī)。

如果溫差一樣，兩組熱機(jī)工作在不同溫段，工作介質(zhì)比熱變化不大，熱機(jī)熱量消耗一樣，但是根據(jù)卡諾定理同等溫差情況下，工作溫段越靠近絕對(duì)零度，低溫?zé)嵩礈囟萒2越低的情況下理論效率越高！高溫段、低溫段工作的熱機(jī)效率理論值差異明顯，高溫段工作的熱機(jī)幾乎沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)。

因此，這句話現(xiàn)在應(yīng)該完善為：高、低溫?zé)嵩礈囟仍浇咏^對(duì)零度，即工作溫段越低，熱機(jī)越容易獲得高效。

3.過(guò)程熱-功轉(zhuǎn)化效率等于系統(tǒng)熱-功效率？

卡諾循環(huán)本身沒(méi)有這樣表述，只是后人們多這樣理解和想當(dāng)然。100多年前，維持低溫?zé)嵩春銣鼐椭荒芤揽肯蜃匀画h(huán)境散熱降溫，還不到考慮效率的時(shí)候；維持高溫?zé)嵩春銣?，只有消耗燃料釋放熱能加熱，也沒(méi)有什么第二選擇。

準(zhǔn)確的說(shuō)，卡諾循環(huán)是說(shuō)明了熱能從高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩囱h(huán)過(guò)程中，熱量一次循環(huán)中轉(zhuǎn)換為功的理論效率，未考慮沒(méi)有轉(zhuǎn)換為功的其余熱量的去向和是否再次利用。如果再利用的時(shí)候不是做功，而是直接熱量進(jìn)行冬季供暖、余熱直接利用，那么系統(tǒng)的熱效率實(shí)際是系統(tǒng)做功部分和不做功直接利用部分之和。做功部分有效率上限限制，而熱量直接利用部分效率很高。系統(tǒng)當(dāng)然可以理論上實(shí)現(xiàn)接近100%能量利用，也符合熱力學(xué)第一定律。

換個(gè)思路，如果那部分沒(méi)有轉(zhuǎn)化為功，又在維持低溫?zé)嵩催^(guò)程中必須散掉的熱量，以某種方式被帶回高溫?zé)嵩?，進(jìn)入下一次熱機(jī)做功循環(huán)，那么按照比例，又會(huì)有部分熱量轉(zhuǎn)換為功；多次循環(huán)，最原始那一部分熱轉(zhuǎn)化為功的效率應(yīng)該是趨向于100%。所以，不應(yīng)該把某個(gè)過(guò)程的單次做功效率，默認(rèn)等同于復(fù)雜系統(tǒng)針對(duì)某個(gè)熱源、某部分熱能的整體熱-功轉(zhuǎn)化效率。

3 重視卡諾循環(huán)作用實(shí)現(xiàn)熱能階梯高效利用

雖然人們非常熟悉卡諾循環(huán)，但筆者認(rèn)為限于歷史原因和工業(yè)生產(chǎn)條件、自身認(rèn)識(shí)能力等綜合因素所限，人類即使到了今天，對(duì)卡諾循環(huán)的應(yīng)用還遠(yuǎn)不到位。

所有熱量從高溫?zé)嵩磦鬟f到低溫?zé)嵩炊急厝环峡ㄖZ循環(huán)。比如鍋爐，燃料燃燒釋放大量的熱，火焰溫度都在數(shù)百攝氏度以上，這就是一個(gè)“高溫?zé)嵩础?。該熱源將熱量通過(guò)某種方式傳遞給水，引起水升溫、沸騰、汽化、氣化、膨脹。在火電廠，人們利用了這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽去推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；但是對(duì)于采暖鍋爐，則這個(gè)過(guò)程被忽略了，人們白白放棄了一次熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程可以做功輸出高品牌能源的機(jī)會(huì)。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的“功”，大多最后也又變成熱了。

高品位能源可以很方便的傳輸，使用過(guò)程中間也可以在多種方式之間靈活轉(zhuǎn)換，通過(guò)驅(qū)動(dòng)熱泵裝置還可以成倍獲取更多的熱量。因此我們應(yīng)該盡一切機(jī)會(huì)，盡可能多的進(jìn)行熱-功、熱-電轉(zhuǎn)換，并努力提高轉(zhuǎn)換效率。長(zhǎng)期以來(lái)，人類需要電，就僅僅利用熱量轉(zhuǎn)移的輸出功，扔掉維持“低溫?zé)嵩础彼仨毶⑹У臒崃?；人類需要熱，就忽略可能輸出高品位能源的機(jī)會(huì)，僅僅利用能源物質(zhì)最終釋放的熱量。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外逐步開始實(shí)施的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，是對(duì)能源綜合利用、高效利用的一種摸索，還不系統(tǒng)、不徹底。采用的熱-電轉(zhuǎn)換設(shè)備成本高，驅(qū)動(dòng)能源也大多是高品位石化燃料。為什么不對(duì)傳統(tǒng)的供暖鍋爐進(jìn)行改造，讓每一臺(tái)鍋爐、每一個(gè)加熱過(guò)程都變成先發(fā)電，再輸出熱能，不再需要煞費(fèi)苦心研究“余熱利用”，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先高品位利用，實(shí)現(xiàn)全熱有效利用！

還有一個(gè)被人常常忽視的情況，那就是“冷量”的利用。我們現(xiàn)在每年有大量LNG運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的地以后，使用前都要先從-174℃吸熱氣化變成CNG才能加以利用。這個(gè)升溫氣化的過(guò)程也是符合卡諾循環(huán)。這個(gè)低溫?zé)嵩词?174℃由待氣化的LNG吸熱維持，高溫?zé)嵩磩t是靠環(huán)境空氣、土壤、水的熱量就能維持在常溫18℃，高低溫?zé)嵩粗g溫差約200℃。這個(gè)熱量流動(dòng)的過(guò)程也同樣能輸出功，而且輸出功的效率還相當(dāng)高！理論值接近65%。所需熱源熱量則取之不盡用之不竭！僅僅大連港，每年進(jìn)口600萬(wàn)噸LNG到港均需要?dú)饣M(jìn)入CNG管網(wǎng)，這些液態(tài)氣體能吸收的熱量達(dá)到2.4萬(wàn)億千卡，如果實(shí)現(xiàn)30%的發(fā)電效率，則可以發(fā)電9億度，同時(shí)還可以淡化超過(guò)2400萬(wàn)噸海水。利用“冷量”的時(shí)候，由于熱量來(lái)自于環(huán)境，沒(méi)有成本，因此，當(dāng)部分熱量因?yàn)檗D(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能輸出而產(chǎn)生熱量“損失”的時(shí)候，自然界免費(fèi)的熱源會(huì)源源不斷進(jìn)行補(bǔ)充，對(duì)最終的氣化效果不會(huì)有絲毫影響，這些電能和淡水完全是“白撿的”，僅9億度電就相當(dāng)于節(jié)約27萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

索性我們選擇液態(tài)空氣這種-196℃的藍(lán)色液體作為工質(zhì)，自然界常溫的空氣、河水、海水，都是相對(duì)“高溫”的物質(zhì)，都可能成為給它加熱的“熱源”、能量的提供者，成為能源物質(zhì)了。只要將環(huán)境的熱量傳遞給液態(tài)空氣，它就能沸騰、膨脹、做功，不需要再消耗其它石化燃料或生物質(zhì)燃料來(lái)獲取熱量了。這個(gè)過(guò)程我們已經(jīng)用中學(xué)物理教具就可以很容易驗(yàn)證。還可以選擇-78℃干冰作為介質(zhì)，吸收環(huán)境的熱量變成7MPa的高壓氣體，適時(shí)適量噴入柴油機(jī)氣缸，模擬柴油燃燒產(chǎn)生的壓力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，輸出動(dòng)力。這個(gè)過(guò)程我們也通過(guò)二氧化碳滅火器的噴氣推動(dòng)一個(gè)濰柴R185發(fā)動(dòng)機(jī)得到實(shí)驗(yàn)證明。

讓汽車不再使用燃料，而只攜帶這種超低溫工質(zhì)來(lái)維持低溫?zé)嵩?，環(huán)境空氣的熱量則維持高溫?zé)嵩?，“撬?dòng)”環(huán)境的常溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為功，推動(dòng)汽車前進(jìn)。汽車從攜帶能量、利用免費(fèi)工質(zhì)，調(diào)整為攜帶低溫工質(zhì)、利用環(huán)境免費(fèi)的熱量，工作溫段下移，而熱機(jī)還利用原有的發(fā)動(dòng)機(jī)即可，這將會(huì)成為機(jī)動(dòng)車實(shí)現(xiàn)綠色動(dòng)力的最佳解決方案。

4 改進(jìn)卡諾循環(huán)提高多次循環(huán)熱-功效率

卡諾循環(huán)假設(shè)條件之一就是有一個(gè)高溫?zé)嵩春鸵粋€(gè)低溫?zé)嵩矗谎芯繜崃繌母邷責(zé)嵩磦鬟f到低溫?zé)嵩粗g時(shí)熱機(jī)的效率，而并沒(méi)有提及如何維持高溫?zé)嵩础⒕S持低溫?zé)嵩?、未轉(zhuǎn)換為功的熱量去向問(wèn)題。早期人類沒(méi)有能力高效率的實(shí)現(xiàn)熱量、帶有熱量的工質(zhì)從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，而現(xiàn)在有多種方法可以實(shí)現(xiàn)高效率熱量轉(zhuǎn)移，有的需要消耗功，有的僅需要熱量就能實(shí)現(xiàn)熱“搬運(yùn)”?？梢哉f(shuō)已經(jīng)到了研究較少熱量散失，回收再利用“余熱”，大幅度提高系統(tǒng)熱-功轉(zhuǎn)換效率的時(shí)候了。

目前已經(jīng)可以有多種手段和方法在不消耗機(jī)械能的情況下實(shí)現(xiàn)將低溫?zé)嵩礋崃俊鞍峄亍?、“帶回”高溫?zé)嵩?，減少低溫?zé)嵩磳?duì)環(huán)境的熱散失。如吸收式制冷機(jī)就是用高溫驅(qū)動(dòng)，回收再利用低溫?zé)崮埽敵鲋袦責(zé)崃?，幾乎不消耗機(jī)械能；高壓鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽，可以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)的壓縮式熱泵工作進(jìn)行熱回收，還可以利用射流抽真空原理吸收低溫低壓蒸汽，混合形成中溫中壓蒸汽，將低溫低壓蒸汽所含的熱量“帶回”下一次做功循環(huán)；這幾種方式都能實(shí)現(xiàn)給高溫?zé)嵩?、中溫?zé)嵩囱a(bǔ)充熱量，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)嵩吹纳嵊酂岬脑偕?，分別維持了高溫?zé)嵩?、中溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟群愣ā?/p>

通過(guò)對(duì)卡諾循環(huán)的分析，我們重新提出一種“新”的熱力學(xué)循環(huán)，它由一個(gè)卡諾循環(huán)和一個(gè)逆卡諾循環(huán)（熱泵）組成，系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2組成是一個(gè)卡諾循環(huán)的熱機(jī)將中溫?zé)嵩吹臒岵糠洲D(zhuǎn)化為功、一個(gè)逆卡諾循環(huán)利用高溫?zé)嵩吹街袦責(zé)嵩吹妮敵龉︱?qū)動(dòng)一個(gè)熱泵，回收低溫?zé)嵩淳S持低溫要散掉的余熱。

該循環(huán)還可以讓其工作在極端情況下進(jìn)行化簡(jiǎn)，循環(huán)中中溫?zé)嵩词强ㄖZ循環(huán)的熱源、高溫?zé)嵩词悄婵ㄖZ循環(huán)的驅(qū)動(dòng)熱源；如果當(dāng)兩個(gè)熱源溫度相同，則變成一個(gè)熱源，逆卡諾循環(huán)作用消失，成為單一卡諾循環(huán)；再如果中溫和低溫?zé)嵩聪嗤瑹o(wú)法輸出功，就成為一個(gè)單一的逆卡諾循環(huán)。這個(gè)利用卡諾、逆卡諾循環(huán)組成的“系統(tǒng)”對(duì)外表述可能會(huì)有多重不同的運(yùn)行方式，這些工作模式均符合熱力學(xué)第一定律。

假設(shè)忽略摩擦、散熱等熱損耗，進(jìn)行循環(huán)熱力學(xué)說(shuō)明：熱量Q0輸入，用以維持高溫?zé)嵩碩1，T1輸出的熱量Q1驅(qū)動(dòng)熱泵M0運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收低溫?zé)嵩淳S持低溫要散失的熱量Q5，和熱泵M0做功后自身輸出的余熱混合后的Q2均傳遞給中溫?zé)嵩碩2，用于維持中溫?zé)嵩矗恢袦責(zé)嵩从糜谧龉Φ闹袦厝珶酫3經(jīng)熱機(jī)M2做功后輸出中低溫有效功W1，同時(shí)做功余熱Q4傳遞給低溫?zé)嵩碩3；系統(tǒng)從外界獲取熱量的來(lái)源是Q0；系統(tǒng)對(duì)外輸出是有效功W1；根據(jù)能量守恒進(jìn)行推算：

Q0=Q1=W1+Q6

Q2=Q1+Q5

Q3=Q2=W1+Q4

Q4=Q5+Q6

假設(shè)，T1=900K，T2=400K，T3=300K

根據(jù)卡諾定理，M2的理論效率是1-T3/T2=25%

如果能假設(shè)熱泵M0的理論能效COP=T2/（T2-T3）=4，則上述關(guān)系表達(dá)式可以簡(jiǎn)化：

Q2=Q1+Q5=4Q0

W1=25%Q2=Q0

Q4=Q2-W1=3Q0

Q6=Q4-Q5=0

這時(shí)候系統(tǒng)理論上沒(méi)有熱排放，屬于“第二類永動(dòng)機(jī)”了！但是符合熱力學(xué)第一定律。將卡諾循環(huán)與逆卡諾循環(huán)結(jié)合在一起，這個(gè)新的熱機(jī)循環(huán)具有從外界吸收熱量、能量，利用新吸收的熱量、能量將低溫?zé)嵩匆⑹У臒崃俊鞍徇\(yùn)”回中溫?zé)嵩矗ㄏ鄬?duì)低溫?zé)嵩淳哂休^高溫度的熱源），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高溫、中溫、低溫?zé)嵩吹木S持，中溫?zé)嵩唇柚ㄖZ熱機(jī)將熱量傳遞給低溫?zé)嵩吹倪^(guò)程中對(duì)外輸出功，余熱傳遞到低溫?zé)嵩春?，可以不需要散熱，通過(guò)熱泵和新補(bǔ)充的熱能一起進(jìn)入下一做功循環(huán)。熱效率大大提高。

再次分析，該循環(huán)用一個(gè)大溫差平臺(tái)的“逆卡諾循環(huán)”、包含了一個(gè)“卡諾循環(huán)”。上述推導(dǎo)過(guò)程中，如果提高T3，M0熱泵COP效率提高，最后的結(jié)果Q6將是負(fù)輸出，其含義在于需要補(bǔ)充熱量，也就是說(shuō)需要另一個(gè)較高溫度熱源輸出熱量，給低溫?zé)嵩垂?；如果降低T3，或者其它原因造成M0熱泵的COP降低，Q6結(jié)果將非零，是正數(shù)，開始需要散熱來(lái)維持低溫?zé)嵩春銣亍＜锤鶕?jù)不同的熱泵效率，低溫?zé)嵩捶謩e處于需要進(jìn)一步對(duì)外冷卻散熱、不需要散熱、需要對(duì)低溫?zé)嵩催M(jìn)一步補(bǔ)充熱量等三種狀態(tài)。

顯然Q0也可以廣義理解是一種輸入能量W0，W0可以是電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、機(jī)械能、熱能；Q1也可以理解為一種與Q0相同或不同的能量輸出方式，主要是取決于熱泵的驅(qū)動(dòng)模式，輸出的能源方式滿足所選擇的熱泵的種類；熱泵的選擇，則是基于系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程的過(guò)程要求；T1高溫?zé)嵩匆部梢越忉尀槭荳0轉(zhuǎn)換平臺(tái)，持續(xù)不斷將輸入的能源轉(zhuǎn)換為熱泵所需要的驅(qū)動(dòng)能源資源。

在實(shí)際已有的應(yīng)用中，T1取決于直接、間接借助合適的工質(zhì)影響M0這個(gè)環(huán)節(jié)的COP值。例如采用吸收式制冷機(jī)，溫度越高，效率越高，越接近理論值；如果采用流體驅(qū)動(dòng)的射流真空泵、氣體放大器方式實(shí)現(xiàn)熱泵，T1越高，工質(zhì)的溫度越高、壓力越大、抽真空混合能力越強(qiáng)；驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)熱泵壓縮機(jī)的能力越強(qiáng)搬運(yùn)熱量的能力越強(qiáng)。

上述推導(dǎo)過(guò)程還可以看出，T2、T3越接近，內(nèi)部M2效率越低，系統(tǒng)越容易實(shí)現(xiàn)。這在工程上的意義可以降低熱機(jī)的工作壓力、安全風(fēng)險(xiǎn)、制造成本、熱量散失等。當(dāng)然，效率太低以后，難以抵消過(guò)程中系統(tǒng)的整體能量損耗，就沒(méi)有實(shí)際意義了。

新的循環(huán)用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)解決了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律矛盾的問(wèn)題，試圖修改所謂“第二類永動(dòng)機(jī)”的定義，實(shí)現(xiàn)了“單一系統(tǒng)”將熱量“全部”轉(zhuǎn)換為功輸出，“沒(méi)有”其他熱量散失，理論上人類可以利用自然界大量的常溫、低溫、中溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為功，在能量守恒定律的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、目的，使用各種不同的能源實(shí)現(xiàn)資源靈活配置、資源循環(huán)、能量流動(dòng)高效利用。

這個(gè)循環(huán)由于要使用一個(gè)能“抽回”低溫?zé)嵩吹挠酂?，重新回到高溫?zé)嵩?，?shí)現(xiàn)再次利用，需要采用一套復(fù)雜的熱泵系統(tǒng)，因此適合地面和大型移動(dòng)裝備，以及其他對(duì)設(shè)備體積不敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，如火電廠、核電站、大型輪船、供熱站等。

5 改進(jìn)卡諾循環(huán)提高單次熱-功效率

針對(duì)卡諾循環(huán)相應(yīng)理論，我們?cè)趯?shí)際工作中還應(yīng)該大膽的進(jìn)行應(yīng)用創(chuàng)新。前面已經(jīng)簡(jiǎn)單推動(dòng)，得出了“工作溫段越低，熱機(jī)越容易獲得高效”。卡諾定理也還有一句：在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)的效率都相等，與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)！這也就是說(shuō)，我們用水、用低溫空氣、高溫空氣或其它工作介質(zhì)（如干冰、液氮、氨、氟利昂等），均不影響理論上熱機(jī)的效率，也就不存在影響輸出動(dòng)力大小的問(wèn)題。我們又提出一個(gè)改進(jìn)卡諾循環(huán)的系統(tǒng)如下：

這個(gè)循環(huán)是把兩個(gè)卡諾循環(huán)串聯(lián)起來(lái)應(yīng)用。概念其實(shí)不新，人們?cè)诨鹆Πl(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)燃料直噴、乳化柴油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噴水加力等過(guò)程中早已應(yīng)用。這里再提出來(lái)是筆者認(rèn)為這種方式的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

首先我們對(duì)圖3所示的串聯(lián)應(yīng)用做進(jìn)一步說(shuō)明，熱機(jī)1、熱機(jī)2都可以是膨脹機(jī)，也可以是鍋爐（或類似升溫膨脹、汽化裝置）；高溫、中溫輸出做功可以分別利用，也可以合并利用；熱機(jī)1的輸出可以用于強(qiáng)化中溫?zé)嵩匆?guī)模，將全部熱能品位、數(shù)量調(diào)整以后再利用熱機(jī)2統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為功，增加熱機(jī)2的能量密度、調(diào)整熱機(jī)2的工作溫段。因此，這個(gè)模式的核心價(jià)值主要在于讓熱機(jī)2在能保持較高能量密度的情況下實(shí)現(xiàn)工作溫段下移，從而獲取更高的熱效率！否則完全沒(méi)有必要采用如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)，采用單級(jí)卡諾循環(huán)就可以了。